Mgr in . Arkadiusz Dyjakon Mgr in . Tomasz Hardy Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej NISKOEMISYJNE PALNIKI PYAOWE 1. Wst p Tlenki azotu (NO ) zalicza si do najwa niejszych zanieczyszcze gazowych emitowanych do atmosfery przez kotły pyłowe. Głównym ródłem ich powstawania podczas spalania s zwi zki azotowe zawarte w w glu (NO paliwowe) oraz azot molekularny z powietrza (NO termiczne). Powstawaniu paliwowych NO mo na przeciwdziałać przez wzrost koncentracji paliwa i zmniejszenie ilo ci tlenu w strefie spalania oraz w niewielkim stopniu przez obni anie temperatury w strefie spalania koksu. Emisj termicznych NO skutecznie ogranicza si przez obni enie temperatury spalania. Zarówno obecnie, jak i w najbli szych latach redukcja emisji tlenków azotu b dzie w Polsce realizowana głównie za pomoc metod pierwotnych. W ród metod pierwotnych ograniczania emisji NO z kotłów energetycznych do najbardziej efektywnych nale palniki niskoemisyjne. 2. Zasady konstrukcji niskoemisyjnych palników pyłowych 2.1. Ogólne zasady Generalnie, strategia niskoemisyjnego spalania pyłu w glowego polega na tworzeniu nast puj cych po sobie stref spalania z kontrolowanym nadmiarem powietrza i temperatur . Wykorzystuje si przy tym zdolno ci redukcyjne rodników w glowodorowych, które wyst puj w du ym st eniu w bogatym płomieniu, kiedy jest niedobór tlenu do spalania. Kontrol temperatury spalania mo na tak e osi gn ć zmieniaj c współczynnik nadmiaru powietrza: przechodz c bowiem od stechiometrycznego składu mieszanki ku ubogiemu lub bogatemu składowi uzyskuje si obni enie temperatury spalania. Rys.1 Koncepcja stopniowania powietrza w palniku pyłowym [1] Ogólnie mo na wyró nić dwa typy konstrukcji niskoemisyjnych palników pyłowych: ze stopniowaniem powietrza oraz paliwa. Koncepcj stopniowania powietrza mo na schematycznie przedstawić jak na rys.1 [1]. W obr bie palnika powietrze do spalania jest dzielone w taki sposób, eby strefy spalania wzdłu płomienia zmieniały si stopniowo: od bardzo bogatej do nieznacznie nadstechiometrycznej. 1 Na rys. 2 przedstawiono jedn z koncepcji stopniowania paliwa, która polega na tym, e strumie dodatkowego paliwa z du szybko ci przebija pierwsz , nadstechiometryczn stref spalania i tworzy za ni bogat stref redukcyjn [1].
Rys. 2 Koncepcja niskoemisyjnego palnika pyłowego opartego o stopniowanie paliwa [1] Istniej ró ne rozwi zania techniczne pyłowych palników niskoemisyjnych wykorzystuj ce przedstawione koncepcje zmniejszania emisji NO . Dominuj c cech współczesnych konstrukcji tych palników jest ich zwarto ć. D y si , eby rozwi zania dystrybutorów powietrza i modyfikacje po stronie pyłu były takie, aby wymiana konwencjonalnych palników na palniki niskoemisyjne nie wymagała dodatkowych odgi ć ekranów. 2.2. Palniki wirowe Istota działania palników wirowych polega na zawirowaniu strugi powietrza i mieszanki pyłowo-gazowej w celu polepszenia warunków mieszania i zwi kszenia szybko ci spalania. Tak prowadzony proces spalania sprzyja niestety zwi kszonej emisji NO . Modyfikacje w celu obni enia emisji NO w palnikach wirowych polegaj na zmniejszaniu ilo ci powietrza doprowadzanego do j dra płomienia, wprowadzaniu trzeciego powietrza i rozdziale mieszanki pyłowo-gazowej na strumienie o du ej i małej koncentracji pyłu. Prowadzi to do uzyskania bogatej redukcyjnej strefy spalania u wylotu palnika. Ukształtowanie dyszy palnika umo liwia wewn trzn recyrkulacj powstaj cych spalin, co powoduje obni enie temperatury j dra płomienia. Rozdział mieszanki uzyskuje si przez zabudow koncentratorów wykorzystuj cych działanie siły od rodkowej na cz stki pyłu. Przykładem mo e być mi dzy innymi zastosowanie stycznego doprowadzenia pyłu do dyszy palnikowej, koncentratorów łopatkowych (Rys. 3) [2] i aluzjowych [3] oraz zw e rur pyłowych w palnikach [4]. W celu stabilizacji płomienia pyłowego palniki najcz ciej wyposa one s w wylotowy dyfuzor stabilizuj cy w formie z bów ceramicznych. Dodatkowo stabilizacj płomienia poprawia recyrkulacja gor cych spalin z komory paleniskowej. Poni ej przedstawiono przykład niskoemisyjnego palnika wirowego z zastosowan wewn trzn separacj strugi pyłu (Rys. 3). 2
Rys.3 Wirowy palnik pyłowy z łopatkowym koncentratorem pyłu Jako przykład rozwoju koncepcji niskoemisyjnych wirowych palników pyłowych posłu yć mo e palnik NR-LCC firmy Babcock-Hitachi K.K. (Rys. 4) [5]. Palniki te posiadaj w centralnej cz ci charakterystyczny koncentrator pyłu. Powietrze wtórne zostaje rozdzielone na dwa oddzielne strumienie, z których wewn trzny zostaje zawirowany za zewn trzny wchodzi łagodnie do wn trza komory. Dzi ki takiej konstrukcji palnika spalanie nast puje niejako trzyetapowo - skoncentrowane drobne cz stki pyłu spalaj si w powietrzu pierwotnym, natomiast grubsze cz stki pyłu spalaj si w wewn trznym strumieniu powietrza wtórnego. Trzeci strumie powietrza tworzy stref dopalania. Palniki tego typu znalazły zastosowanie tak e w krajowej energetyce. Rys.4 Niskoemisyjny palnik wirowy NR-LCC 2.3. Palniki strumieniowe Palniki strumieniowe pracuj w układzie tangencjalnym, tzn. e współpracuj ze sob w komorze paleniskowej. Zwi zany jest z tym dłu szy czas przebywania w strefie płomienia i lepsza mo liwo ć redukcji NO . W przypadku palników strumieniowych stopniowanie powietrza realizuje si przez odpowiedni układ dysz doprowadzaj cy cz ć powietrza wtórnego powietrza powy ej j dra płomienia. Słu y temu celowi zabudowa dysz powietrza ponadpalnikowego OFA oraz SOFA. W systemie LNCFS (Low NO Concentric Firing System) palniki wyposa one s w dysze powietrza wtórnego skierowane na dwa ró ne koła wiru w komorze paleniskowej. Dysza powietrza bli sza dyszy pyłowej kieruje powietrze na ten sam obwód koła wiru co dysza pyłowa, natomiast dysza zewn trzna na wi kszy obwód wiru, realizuj c w ten sposób stopniowe doprowadzanie powietrza [6]. 3 Innym rozwi zaniem jest palnik strumieniowy realizuj cy zasad poziomego stopniowania powietrza PSP [7]. Posiada on dodatkow dysz kieruj c cz ć strumienia powietrza wtórnego równolegle do cian komory, zmniejszaj c w ten sposób ilo ć tlenu w pocz tkowej fazie procesu spalania. Jego zalet jest tak e unikanie redukcyjnej atmosfery w pobli u cian ekranowych i ochrona ich przed korozj . a) b) pył + pył + powietrze powietrze powietrze powietrze Rys.5 Stopniowanie powietrza w kotłach z niskoemisyjnymi palnikami strumieniowymi: a) w układzie PSP, b) wg zasady LNCFS W niskoemisyjnych palnikach strumieniowych tak e stosuje si rozdzielone podawanie do komory paleniskowej bogatej i ubogiej mieszanki pyłowej. Osi ga si to poprzez rozdział strug w separatorze i doprowadzenie ich do palnika oddzielnymi kanałami lub przez zastosowanie układu separacji (np. aluzjowej) w korpusie palnika. W oparciu o stopniowanie paliwa działa system palników PM (Pollution Minimum) polegaj cy na doci eniu dolnych palników paliwem i spalaniu go z niedomiarem powietrza, przy jednoczesnej pracy palników górnych w warunkach nadmiaru powietrza. Uzyskuje si to przez rozdział mieszaniny pyłowo-powietrznej na strumienie o du ej i małej koncentracji pyłu w glowego i podawaniu do kotła oddzielnymi dyszami. a) b)
Rys.6 Palnik strumieniowy z rozdziałem mieszanki pyłowo-gazowej a) w pyłoprzewodzie [8], b) w separatorze młynowym [9] W ród cz stych zmian modernizacyjnych klasycznych palników strumieniowych w celu obni enia emisji NO nale y wymienić zmniejszenie ilo ci powietrza do palników, stopniowanie powietrza w obr bie palnika, koncentrowanie pyłu u wylotu palnika, skierowanie cz ci powietrza na wi ksze koło wiru oraz stabilizacj płomienia. 4 Na rys.9 przedstawiono przykład zmian konstrukcji palnika strumieniowego na w giel brunatny firmy RAFAKO S.A. [10]. Rys.7 Porównanie układu dysz palnika strumieniowego na w giel brunatny a) klasycznego, b) niskoemisyjnego 3. Podsumowanie Podsumowuj c mo na stwierdzić, e konstrukcje niskoemisyjnych palników pyłowych uzyskały ju znaczn dojrzało ć techniczn . Dotyczy to przede wszystkim wirowych palników pyłowych: powietrze wtórne jest z zasady dzielone na dwa strumienie z niezale nie kontrolowanym zawirowaniem i wydatkiem, zasad jest tak e stosowanie koncentratorów pyłu. Niezb dne okazało si zastosowanie nowych materiałów konstrukcyjnych, jak stali arowytrzymałych, eliwa odpornego na cieranie i materiałów ceramicznych na stabilizatory płomienia. W przypadku palników strumieniowych nast piły mniejsze zmiany konstrukcyjne, poniewa paleniska tangencjalne emituj stosunkowo mniej NO . Najcz ciej stosowane zmiany konstrukcyjne w tych palnikach, jak obni enie palników i zag szczenie pyłu w dolnych dyszach, dokonuje si niewielkim kosztem. Zwykle zmiany w palnikach strumieniowych wspomagane s wst pnym rozdziałem mieszanki w młynach w glowych. Najnowsze tendencje rozwojowe zmierzaj jednak w podobnym kierunku, jak dla palników wirowych: stopniowanie powietrza w palniku oraz koncentrowanie mieszanki pyłowej u wylotu palnika. Dalsze kierunki rozwoju niskoemisyjnych palników pyłowych to jeszcze lepsze wykorzystanie redukcyjnych własno ci bogatego płomienia pyłowego. Działania id w kierunku wytworzenia bardziej bogatej atmosfery spalania w centralnej cz ci płomienia o mo liwie wysokiej temperaturze i długim czasie przebywania. Wa nym zagadnieniem pozostaje stabilizacja płomienia pyłowego podczas pracy kotła z niskim obci eniem, co zwi zane jest z małymi pr dko ciami wypływu mieszanki pyłowej i stechiometri u wylotu z palnika. 5 Literatura 1. Weber R. Badania niskoemisyjnego spalania dla palenisk przemysłowych , Materiały konferencji naukowo-technicznej Niskoemisyjne techniki spalania , Ustro -Zawodzie 1996r. 2. Tomas D. Osi gni cia RAFAKO w zakresie redukcji emisji tlenków azotu , Zeszyty Naukowe Pol. l skiej, Energetyka, 1994r. 3. Kordylewski, W., Niskoemisyjne techniki spalania w energetyce, materiały seminarium Program działa technicznych i ekologicznych w Elektrowni i Kopalni Turów , Wrocław, 1996r. 4. Palnik do spalania pyłu w glowego, Hitachi Ltd., Biuletyn Urz du Patentowego, Nr 20, 1995r. 5. Low NO burners: Jaworzno III cleans up, Materiały informacyjne firmy Babcock- Hitachi, Modern Power System 6. Głuchowski Z. Niskoemisyjny Koncentryczny System Paleniskowy LNCFS , Materiały konferencji naukowo-technicznej Niskoemisyjne techniki spalania , Ustro -Zawodzie 1996r 7. Wróblewska V., Serant F., Kulpa A., Opracowanie i zastosowanie strumieniowych palników pyłowych typu PSP o zmniejszonej emisji NO , Energetyka nr6, 1996r. 8. Materiały informacyjne firmy Mitsubishi Heavy Industries Ltd. 9. Hardy T., Kordylewski W., Niskoemisyjne techniki spalania w polskiej energetyce: osi gni cia i problemy , Materiały konferencji POL-EMIS, Szklarska Por ba 1998r. 10. Wala T. Do wiadczenia RAFAKO w dziedzinie nowych konstrukcji palników I palenisk niskoemisyjnych dla kotłów opalanych w glem , Energetyka nr10, 1997r. 11. Kordylewski, W. i inni, Niskoemisyjne techniki spalania w energetyce , Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2000r. 6